Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH Ćwiczenie nr 3 Temat: Wykres Fe-Fe 3 C. Stale, staliwa i żeliwa. Łódź 2010
WYKRES ŻELAZO WĘGIEL/CEMENTYT 1. Cel ćwiczenia. Zapoznanie się z charakterystycznymi stopami układu żelazo-węgiel. 2. Wiadomości teoretyczne W zależności od stężenia węgla stale węglowe w stanie wyżarzonym charakteryzują się zróżnicowaną strukturą. Stale o bardzo małym stężeniu węgla ok. 0,1% wykazują strukturę ferrytu (roztwór stały węgla w żelazie), który po wytrawieniu uwidacznia się w postaci wielokątnych jasnych ziaren z ciemnymi granicami. Przy większym stężeniu węgla w strukturze stali pojawia się perlit (mieszanina ferrytu i cementytu - Fe3 C), a stal ma strukturę ferrytyczno perlityczną. Perlit jest widoczny jako naprzemianległe pasemka przeciętych płytek cementytu i ferrytu. Przy stężeniu ok. 0,4%C zawartości perlitu i ferrytu w strukturze stali są zbliżone. W stali zawierającej 0,6 0,7%C ferryt występuje w postaci jasno trawiącej się siatki wokół ziaren perlitu. Struktur ę czysto perlityczną ma stal o stężeniu 0,77%C. W miarę podwyższania stężenia węgla w strukturze stali zmniejszeniu ulega udział miękkiego i plastycznego ferrytu, a zwiększeniu udział twardego i kruchego cementytu. W stalach o stężeniu węgla powyżej 0,77% na granicach ziaren perlitu występuje siatka cementytu o grubości zwiększającej się wraz ze wzrastającym stężeniem węgla. Rodzaj struktury stali w zależności od stężenia węgla w niej występującego ilustruje wykres równowagi fazowej żelazo węgiel. Wykres żelazo węgiel odzwierciedlający równowagę fazową w stalach jest wykresem metastabilnym, odnosi się on do układu Fe-Fe3C (rys.2 - linia ciągła na wykresie). Rys. 1. Wykres równowagi układu żelazo - węgiel (wg Chipmana); linia ciągła układ niestabilny Fe- Fe3C, linia przerywana układ stabilny Fe-C (grafit). (3)
Stale w zależności od zawartości węgla dzielimy na: podeutektoidalne leżące na lewo od punktu S (0,77%C) mają strukturę ferrytyczno perlityczną. Stale o składzie punktu S są czysto perlityczne i są nazywane eutektoidalnymi. Natomiast struktura stali zawierających ponad 0,77%C (leżących na prawo od punktu S) jest złożona z perlitu i cementytu wtórnego. Noszą one nazwę nadeutektoida- -lnych. Fazy i składniki strukturalne stali i ich własności Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie alfa. Powstaje poprzez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych i tetraedrycznych. Austenit jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%. Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem oktaedrycznych luk. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury A1 (727 C). Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77% C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 727 C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1. Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe3 C) o strukturze rombowej. Zawiera 6,67 % mas. węgla. Ferryt Austenit Perlit Cementyt Max. rozp. C=2,11% Zawartość węgla C=0,77% Rm=700-800MPa Rm=700 800MPa Twardość: 200HB Twardość:180-220HB Wydłużenie: A=40-60% Wydłużenie: A=8% KC=2000 3000kJ/m2 KC=400kJ/m2 Max. rozp. C=0,022% Rm=300MPa Twardość: 80HB Wydłużenie: A=10% KC=1800kJ/m2 Struktury stali o różnych zawartościach węgla Zawartość węgla C=6,67% Rm= Twardość:700HB Wydłużenie: - KC= - 0,38%C 1,4%C 0,77%C 1,0%C
STAL Stal węglowa jest to stop żelaza z węglem po odlaniu przerobiony plastycznie, gdzie węgiel jest najważniejszym pierwiastkiem stopowym (poniżej ok. 2%C). Węgiel bardzo korzystnie wpływa na własności żelaza. W miarę podwyższania stężenia tego pierwiastka w stali zwiększa się twardość, wytrzymałość na rozciąganie R m i granica plastyczności Re (rys.1). Wzrost węgla w stali może powodować Wzrost twardości Wzrost Rm Wzrost Re Zmniejszenie własności plastycznych Pogarsza obróbkę plastyczną stali na zimno i gorąco Zmniejszenie ciągliwości Zmniejszenie wydłużenia, przewężenia, udarności Pogorszenie własności spawalniczych Rys. 2. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali węglowych (HBW- twardość Brinella z penetratorem z węglików spiekanych, Rm- wytrzymałość na rozciąganie, Re-granica plastyczności, A-wydłużenie, Z-przewężenie).(3) Stale niestopowe (węglowe) dzielimy na: -niskowęglowe (0,25% C), np. 10(PN-93/H-84019), St3S(PN-88/H-84020) -średniowęglowe (0,25-0,60%C), np. C40(PN/EN10083-2Pr), 40(PN-93/H-84019) -wysokowęglowe (>0,6%C), np. N11(PN-84/H-85020), C120(PN-EN ISO4957:2002) Stale niestopowe (węglowe) ze względu na zastosowanie dzielimy na: -konstrukcyjne- zawierające do ok. 0,7%C te zaś dzielą się na: -stale zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia (PN-88/H-84020). Oznaczenia: St (liczba porządkowa od 0 do 7 jednak bez 1 i 2). Liczby odpowiadają za informacje o zakresie wytrzymałości lub składu chemicznego. -stale niestopowe do utwardzania powierzchniowego i cieplnego (PN-93/H-84019). Oznaczenia: liczba dwucyfrowa np. 45 Zastosowanie: stosowane do wyrobu części i urządzeń oraz elementów konstrukcji, na części maszyn i konstrukcji poddawanych obróbce cieplnej przez normalizowanie i ulepszanie cieplne, a w przypadku stali niskowęglowych- również przez nawęglanie.
-narzędziowe (PN-84/H-85020) zawierające 0,65%-1,4%C dzielące się na: -stale płytko hartujące się (symbol E na końcu znaku) -stale głęboko hartujące się Oznaczenia: N (liczba podająca średnią zawartość węgla w dziesiętnych częściach procenta). Zastosowanie: do wytwarzania różnego rodzaju narzędzi oraz odpowiedzialnych części przyrządów pomiarowych, Stale płytko hartujące się są stosowane do wykonywania narzędzi, których średnica lub grubość nie przekracza 20mm, a głęboko hartujące się do wytwarzania narzędzi o średnicy lub grubości ponad 20mm. Stale stosuje się w stanach: znormalizowanym, po hartowaniu powierzchniowym, po ulepszaniu cieplnym, zmiękczonym. Najczęściej stosowaną obróbką cieplną jest normalizowanie, czyli wyżarzanie normalizujące. Polega ono na nagrzaniu stali do stanu austenitycznego, tzn. 30-50 o C powyżej linii GSE na wykresie żelazowęgiel i następnie studzeniu na wolnym powietrzu, w celu rozdrobnienia ziarna i ujednolicenia struktury. Rys. 3. Zakresy temperatur różnych operacji wyżarzania stali. (3) ŻELIWA Żeliwami nazywamy stop żelaza z węglem o zawartości węgla powyżej 2%. Żeliwa dzielimy na: -białe gdzie węgiel występuje w postaci cementytu -szare gdzie węgiel występuje w postaci grafitu -połowiczne gdzie węgiel występuje w postaci grafitu jak i cementytu Duży wpływ na rodzaj powstającego żeliwa ma szybkość chłodzenia. Podczas bardzo wolnego chłodzenia proces grafityzacji jest zaawansowany i powstaje żeliwo szare. Dodatkowo stosując dodatki stopowe możemy wpływać na grafityzację. Dodając C, Si bądź F sprzyjamy grafityzacji natomiast dodatki Mn i S przeciwdziałają temu procesowi.
Żeliwo szare dzielimy na 3 rodzaje (PN-EN 1561:2000): -zwykłe, które dzielimy dodatkowo na: -ferrytyczne(wysoka wytrzymałość, duże twardości, wysoka odporność na ścieranie, wysoka skrawalność) -ferrytyczno-perlityczne -perlityczne -modyfikowane (PN EN 1561: 2000): o niskich własnościach plastycznych. Podczas krystalizacji stosowane są dodatki Fe- Al., FeCa, Fe-Si, które odgrywają rolę zarodków krystalizacji, powodują modyfikacje oraz są odpowiedzialne za powstawanie tlenków. Dodatkowo ułatwiają krystalizację i wymuszają heterogeniczne zarodkowanie, dzięki czemu żeliwo krzepnie jako szare a nie jako połowiczne lub białe. Dodatkowo modyfikatory odpowiedzialne są za równomierne rozłożenie składników i odgazowanie kąpieli. Cechą charakterystyczną jest występowanie z żeliwie modyfikowanym steatytu, czyli potrójnej eutektyki fosforowej o najniższej temperaturze topnienia ze wszystkich żeliw. Steatyt daje odporność na ścieranie jednak przeszkadza przy tłumieniu drgań przez żeliwo. Oznaczenia: np. EN GJS 300, 350 -sferoidalne (najwyższe gatunkowo) które dzieli na (PN-EN 1563:2000): -ferrytyczne -ferrytyczno-perlityczne -perlityczne Rys. 4. Żeliwo sferoidalne Struktura: podłoże ferrytyczne + grafit sferoidalny Trawiono: Mi1Fe. Powiększenie: 200x W stosunku do dwóch pierwszych żeliw z rodziny żeliw szarych posiadają możliwość większego wydłużenia, wyższą wytrzymałość i skoagulowany grafit. Jako jedyne posiadają granicę plastyczności a co za tym idzie wyższe własności mechaniczne i plastyczne. Żeliwo sferoidalne zawsze powstaje z szarego po sferoidyzacji przy pomocy Mg lub Ce. Dodatki te wprowadza się do ciekłej kąpieli, w której dochodzi do wydzielania się niebezpiecznie dużej ilości ciepła. Dodatkowo w kąpieli musi być ograniczona zawartość S gdyż w przeciwnym wypadku nie dojdzie do sferoidyzacji. Odsiarczanie przeprowadza się za pomocą wprowadzenia do kąpieli Mn. Należy pamiętać, że w przypadku nieodsiarczenia kąpieli przed dodaniem Mg i Ce pierwiastki te zamiast działać sferoidyzująco zostaną zmarnowane na odsiarczenie i nie dojdzie do uzyskania 100% żeliwa sferoidalnego. Po obróbce cieplnej występuje martenzyt odpuszczony lub sorbit. Oznaczenia żeliw sferoidalnych wygląda następująco: np. żeliwo sferoidalne zapisujemy EN-GJS i trzycyfrowej liczby od 100 do 350 oznaczającej wytrzymałość na rozciąganie w MPa.
Zastosowanie żeliw szarych: powszechnie stosowanym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle maszynowym, kolejowym, samochodowym (np. korpusy maszyn, płyty fundamentowe, pierścienie tłokowe, bębny hamulcowe, tuleje cylindrowe, armatura, części silników samochodowych jak wały korbowe, rozrządu, cylindry i pierścienie tłokowe, budowie obrabiarek żeliwo sferoidalne wykorzystuje się na koła zębate, wrzeciona, korpusy itd.) Żeliwo białe dzielimy na żeliwo ciągliwe (PN EN 1562 : 2000) : w którym węgiel jest w postaci cementytu. Natomiast żeliwo ciągliwe w wyniku wyżarzania grafityzującego dzielimy na żeliwo: -białe (odwęglone): powstaje w piecu w atmosferze odwęglającej -czarne (nieodwęglone): powstaje w piecu w atmosferze obojętnej Reakcja powstawania żeliwa ciągliwego: Fe3C=3Fe+C gdzie C to węgiel żarzenia -żeliwo białe (PN EN 1562 : 2000): Oznaczenia: np. EN GJMW 360 12 -żeliwo czarne (PN EN 1562 : 2000): Oznaczenia: np. EN GJMB 300 6 Zastosowanie żeliw białych: części maszyn rolniczych, maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego, żeliwo ciągliwe perlityczne ma zastosowanie na części silniej obciążone itp.
Rys. 4. Schemat struktur żeliwa. I-białe, IIa- połowiczne, II- szare perlityczne, IIb- szare ferrytycznoperlityczne, III- szare ferrytyczne, IV- sferoidalne, V- ciągliwe. (3) STALIWA Staliwa to materiał konstrukcyjny stopu żelaza z węglem o zawartości do 2%C otrzymywany w wyniku odlewania do form, w których krzepnie. Klasyfikacje i podział staliw można odszukać w normie PN-EN 10020:2003 które ustalane są ustalane na podstawie zasad identycznych jak dla stali. Staliwo pod względem chemicznym i sposobu wytwarzania nie różni się od stali. Może zawierać do 1,5% węgla i dodatki jak w stalach. Ze względu na podział staliwa dzielimy na stopowe (PN-87/H-83156) i węglowe (PN-ISO 3755:1994). Budowa strukturalna staliw składa się z dendrytów, porowatości gazowej i skurczowej, obecności skoagulowanych wtrąceń niemetalicznych i innych faz. Cechy te nasilają się wraz ze wzrostem temperatury odlewania stopu. Cechą charakterystyczną staliwa węglowego (podeutektoidalnego) jest struktura Widmanstattena z płytkowymi wydzieleniami ferrytu ułożonymi pod kątem 60 o i 120 o tworząca się w wyniku uprzywilejowanego wzrostu płytek ferrytu w płaszczyznach {111} austenitu. Podział staliw: Staliwa konstrukcyjne niestopowe ( węglowe). Struktura: ferryt + perlit. Przykłady oznaczenia: wg PN ISO 3755: 1994: 200-400, 200-400 W. Przykłady zastosowania: maszyny energetyczne, maszyny górnicze, maszyny :rolnicze, tabor kolejowy, obudowy łożysk ślizgowych. Rys. 5. Struktura Widmanstättena
Własności mechaniczne staliwa zależą przede wszystkim od zawartości węgla. Własności te są niższe niż dla stali o analogicznym składzie chemicznym. Podobnie jak stale, staliwa można poddawać obróbce cieplnej polepszając ich własności mechaniczne. Zastosowanie staliw: Staliwa niskowęglowe (0,10 0,25% C) stosuje się na części przenoszące niewielkie obciążenia, jak korpusy silników elektrycznych, części kolejowe i samochodowe np. zderzaki, stery, kotwice. Staliwa średniowęglowe (0,2 0,4% C) na części bardziej obciążone np. koła bose, łańcuchowe, zębate, podstawy maszyn, korpusy pras i młotów. Staliwa wysokowęglowe (0,4 0,6% C) na części maszyn bardzo silnie obciążonych i narażonych na ścieranie np. koła zębate napędów walcowniczych. 3. Zadania do wykonania. 1. Dokonać obserwacji mikroskopowych próbek. 2. Wykonać rysunki struktur. 4. Sprawozdanie: 1. Cel ćwiczenia. 2. Wstęp teoretyczny 3. Rysunki struktur wraz z opisem wg schematu: - Materiał - Stan materiału - Struktura - Powiększenie - Trawienie 4. Wnioski i uwagi Przykład sposobu przygotowywania opisów oglądanych struktur: Rys. 1. Żeliwo sferoidalne Struktura: podłoże perlit + grafit sferoidalny Trawiono: Mi1Fe Powiększenie: 200x Literatura. 1. Wykład NoM I i NoM II. 2. K. Przybyłowicz Metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1992 3. L. Dobrzański Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1997 UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z przepisami BHP